Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

Глава 3. Пробой газа в различных частотных диапазонах

Частота воздействующего электрического поля, как уже отмечалось, оказывает влияние на происходящие в газе процессы, которые определяют порог зажигания разряда, т.е. пробой. Можно выделить несколько частотных диапазонов, в которых наблюдаются специфические особенности процесса ионизации, потерь энергии электронов за счет рекомбинации, колебательно-вращательного движения, при возбуждении, упругих столкновениях и др. Это следующие диапазоны: низкочастотный – от постоянного напряжения до частот 102÷103 Гц; высокочастотный – 105÷108 Гц; СВЧ – 109÷1011 Гц и оптический – 1013÷1015 Гц. Следует отметить, что наряду с различием происходящих процессов при разряде есть и общая черта, что число столкновений электрона ν при минимуме Епр пропорционально частоте приложенного напряжения.

С низкочастотным разрядом мы уже ознакомились в гл. 2. Для него характерно, что порогом ионизации является выполнение условия

самостоятельности разряда μ = γ( еαd −1) =1. Следует отметить, что

если учесть процессы рекомбинации, диффузии и прилипания электронов, то устойчивость разряда при μ =1 существенно снижается. Наря-

ду с этим необходимо также учитывать, что коэффициент γ определя-

ет рождение первичных («затравочных») электронов у поверхности катода. Эти электроны могут появиться в различных частях поверхности катода, особенно если они образуются за счет фотоэффекта на катоде. Причем разные фотоны, испускаемые одной лавиной, могут вырвать из катода несколько электронов. Поэтому такой разряд, называемый таунсендовским, носит диффузный, расплывчатый характер и не проявляется ярко по сравнению со стримером, и тем более с лидером.

Рассмотрим вначале СВЧ-пробой, который считается менее сложным и хорошо изученным по сравнению с высокочастотным.

3.1. СВЧ-пробой

Как уже указывалось, СВЧ-пробой наблюдается в диапазоне частот 109÷1011 Гц и происходит в резонаторе. О пробое судят по резкому ухудшению добротности резонатора или уменьшению передаваемой мощности. Величина электрической прочности зависит от геометрии и размеров резонатора, давления газа и от передаваемой мощности. Наибольшая напряженность поля имеет место в центре резонатора.

48

Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

При пробое наряду с ионизацией газа имеет место амбиполярная диффузия, диффузная длина которой связана с размерами и формой резонатора.

В случае прямоугольного резонатора

где l1 ,l2 ,l3 – размеры резонатора по осям x, y, z . В случае резонатора цилиндрической формы

где r – радиус сферы.

Электрон, двигаясь в СВЧ-поле, совершает поступательное и колебательное движения, соответственно, со скоростью υп, υк и до

столкновения его общая энергия равна сумме энергий этих движений

При столкновении электрона с атомом характер его сложного движения мгновенно изменяется. В первый момент времени энергия колебательного движения переходит в энергию поступательного движения, а затем снова накладывается колебательное движение.

После столкновения электрона с атомом, если пренебречь упругими потерями,

гда как квант СВЧ-энергии составляет 10−4 ÷10−5 эВ. Следовательно, энергию электрон получает за счет превращения части колебательного движения в поступательное. Но так дело обстоит, пока энергия электрона не достигнет энергии возбуждения. В случае инертных газов –

49

Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

это энергия первого уровня возбуждения W1 . При дальнейшем получе-

нии энергии me4υк2 электрон перевозбуждает атом. В этом случае элек-

трон потеряет накопленную энергию, а атом излучит квант света. При рассмотрении данного процесса необходимо учитывать влияние первого слагаемого уравнения (3.6).

Для развития ионизации необходимо, чтобы скорость νп2 достигла такого значения, когда энергия me (υп2 +υк ) была бы хотя б немного больше Wи −W1 . Необходимо отметить, что в момент столкновения скорость υк по абсолютной величине примерно в 8 раз меньше υп. Та-

ким образом, для ионизации необходимо, чтобы электрон «миновал» порог возбуждения W1.

Здесь уместно отметить характерные особенности развития ионизации у Хe-газа, который представляет собой смесь гелия с небольшой

добавкой паров ртути. У атомов гелия возбужденное состояние ( 23 S) составляет 19.8 эВ. У атома ртути потенциал ионизации составляет 10.4 эВ. При встрече возбужденного атома гелия с атомом ртути происходит ионизация последнего, т.е. проявляется известный эффект Пеннинга. Здесь надо отметить, что сечение столкновения указанных

атомов составляет 1.4 10−4 см2, что в десятки раз больше сечения столкновения при проявлении эффекта Пеннинга с другими атомами. Поэтому получается, что возбуждение атомов гелия практически сразу приводит к ионизации атомов ртути, в результате которой образуется свободный электрон. В этом смысле Хe-газ можно считать модельным.

Изменение числа свободных электронов во времени равно:

где νи – частота ионизации столкновений; νа – частота столкновений, сопровождающихся прилипанием

электронов к электроотрицательным атомам (молекулам); νд – приведенная частота за счет диффузии.

Здесь D – коэффициент диффузии, λд – диффузионная длина.

50

Часть I. Глава 3.Пробой газа в различных частотных диапазонах

Чем меньше λд , тем больше электронов уходит из разрядного про-

межутка на стенки резонатора, что приводит к затруднению пробоя и увеличению Епр. Это характерно для низких давлений газа. Кривые зависимости Епр = f (P) имеют минимум, соответствующий ν = ω1, ко-

гда давление Р ≈ 1÷10 мм рт.ст. (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Измеренные пороги СВЧ-пробоя нескольких газов при частоте 0.99 ГГц и λ=0.63 см

Характер этой зависимости количественно определяется из решения кинетического уравнения. Здесь мы рассмотрим только качественную сторону закономерностей. При низких давлениях (левая ветвь) изменение Епр связано с потерями электронов за счет их диффузии на стенках резонатора. Для правой ветви потерь электронов нет, но есть потери энергии при упругих столкновениях с атомами гелия. Эти потери практически не зависят от частоты и примерно такие же, что и при постоянном напряжении. Рост Епр с увеличением давления наблюдает-

ся при условии ν 2 >>ω2 за счет увеличения вероятности столкновений.

СВЧ-пробой используется для создания плазмотронов и его необходимо учитывать при разработке антенн связи космических кораблей, работа которых может нарушаться за счет СВЧ-пробоя при резком изменении давления.

51